張昉 范鋒 趙博

摘? 要：新能源汽車的主要動力源鋰電池一直倍受關注，而對于退役動力電池的階梯利用，已成為行業(yè)發(fā)展的關鍵，文章總結了我國車用動力電池發(fā)展的趨勢、動力電池的回收利用與技術現狀，具體分析了電池回收中分級篩選中的難點，最后對我國動力電池梯次利用的發(fā)展做了總結與展望，指出動力電池的篩選技術是動力電池在梯次利用中的關鍵。

關鍵詞：電池回收;分級分選;一致性

中圖分類號：U469? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）15-0046-03

Abstract： Lithium battery， the main power source of new energy vehicles， has been paid more and more attention， and the step utilization of decommissioned power battery has become the key to the development of the industry. This paper summarizes the development trend， recycling and technical status of vehicle power battery in China， and specifically analyzes the difficulties in grading and screening of battery recovery. Finally， the development and prospect of power battery cascade utilization in China are summarized and prospected. It is pointed out that the screening technology of power battery is the key to the echelon utilization of power battery.

Keywords： battery recycling; classification and sorting; consistency

1 新能源汽車動力電池發(fā)展趨勢

據《中國汽車產業(yè)發(fā)展報告》預測，到2030年的時候，我國電動汽車總規(guī)模將接近6500萬輛[1]。新能源汽車未來將被廣泛推廣，它的主要動力是磷酸鐵鋰電池。預計于2020年左右現有的新能源汽車用動力鋰電池會進入報廢期，在我國新能源汽車動力電池的報廢周期一般約在3至5年，到2025年我國新增的梯次利用電池潛在規(guī)模約33.6GW·h。退役動力電池的梯次利用產業(yè)呼之欲出。

2 動力電池的回收利用與技術現狀

2.1 動力電池的回收利用

從當前電池回收的迫切性來看，公共領域服務的新能源汽車，主要是鋰動力電池，因其退役電池規(guī)模大，已成為電池梯次利用的重點領域。

本文提到的電池回收利用主要是指退役動力電池回收后的再次利用。再次利用又可分為梯次利用和再生利用。梯次利用是指將廢舊動力電池應用到其他領域的過程，包括電池包、電池組、單體電池，可以一級利用也可以多級利用。再生利用是對于退出梯次利用的動力電池進行拆解、檢測和分類后的二次使用。

2.2 回收電池的分級分選

我國2017年12月實施《車用動力蓄電池回收利用拆解規(guī)范》，2018年2月實施《車用動力電池回收利用余能檢測》，在技術規(guī)范方面提出了指導意見。

退役電池的梯次利用依據電池容量的衰減程度分三級：第一級是電池包梯次利用、第二級為電池組梯次利用、第三級為單體電池級的梯次利用，見圖1。目前技術發(fā)展上已從單體電池的拆解，發(fā)展成為電池組及電池包的回收使用，這要求梯次利用技術緊跟趨勢。

第一級電池包梯次利用階段，電池容量大于或等于80%，即動力電池做為正常能源電池在車中被使用，當電池包異常時，要對電池包進行檢測評估，從而對整個電池包進行替換。目前常用非接觸式方法進行篩選，如計算機斷層掃描技術[2]、超聲無損檢測技術[3]，以及大數據分選技術等。

第二級電池組梯次利用階段，電池使用容量處于60%-80%，最適合在儲能領域，如通信基站、水利、風能、太陽能等使用。從第一級淘汰下的整包電池進行拆解，形成多個電池組，經過檢測評估出性能相近、一致性、魯棒性好的電池組進行重組使用，有問題的電池組淘汰到第三層級。

第三級單體電池梯次利用，此階段將上一級淘汰下來的電池組拆解成單體電池，通過對單體電池容量等指標檢測篩選后，單體電池以串、并聯的方式以多種組合形式再配組，成組電池要進行評估測試，在保證重組電池安全性、一致性、穩(wěn)定性情況下進行集成，開展梯次利用。重組后電池主要使用在用戶側/微電網，如企業(yè)、家庭的小型儲能領域，或低速電動車等領域。

從梯次利用的過程中可以看出，回收電池各級中的篩選技術在其中起到至關重要的作用，精確的容量檢測與容量配置是電池健康使用的保證。

3 重點技術分析

目前在梯次利用中對回收動力電池的容量配置研究不多，研究主要集中在對電池組均衡技術、電池容量估算、電池性能的分析等方面，電池容量的均衡直接關系著電池的一致性。對退役電池再利用的基礎是電池包、重組電池的一致性是目前研究的難點。

3.1 電池容量估算分析

目前電池容量分級篩選方法較少，對電池容量衰退研究多些。文獻[4]采用統(tǒng)計學非參數檢驗方法研究了歐姆內阻、電荷轉移電阻和鋰離子擴散系數與容量之間的相關性，以此了解電池衰減的原因。文獻[5]建立分數階等效電路模型實現電池容量的狀態(tài)估算，但對采集數據要求高，目前較難達到要求。文獻[6]提出了一種簡化P2D模型來估算電池容量的方法，但模型較復雜難以應用。筆者所在公司的授權發(fā)明專利“一種鋰離子電池容量分選器技術”（ZL2013105675526），可解決重組電池測試中電池容量一致性不好時，因過充/過放而使重組電池組壽命減少的問題。此技術包括至少一個鋰離子電池容量分選器，工作原理是將滿容量的鋰離子電池接入鋰離子分選器中，隨后單片機通過AD采集實時監(jiān)測鋰子電池的輸出電壓和輸出電流，最后單片機計算出鋰離子容量值。此技術可以同時檢測多個鋰離子電池，只要單片機的AD采集口足夠多。

此技術主要用于動力電池性能參數檢測技術領域，可對鋰離子電池容量進行檢測，能夠使每個鋰離子電池在使用前就已經具備容量信息，然后將容量值相等或相近的多個鋰離子電池串聯和/或并聯使用，可以大幅度提高鋰離子電池組的使用效率和安全性，同時延長鋰離子電池組的使用壽命。

3.2 電池組均衡技術

對于電池間的不一致性可以通過均衡技術進行管理，均衡技術在控制方法上分為主動均衡和被動均衡。被動均衡以電阻放電為主，缺點是能量浪費。主動均衡能量浪費少，但缺點是在電路的設計復雜。目前如何以低成本高效率實現電池/電池組間的電量均衡是難點。文獻[7]提出了利用電容與開關的組合實現對相鄰電池能量進行均衡的目標，缺點是不適合用于大容量的電池組。文獻[8]提出一種線性優(yōu)化模型和模型預測控制方法，實現鋰離子電池的動態(tài)均衡，其方法主要通過軟件實現。

筆者所在公司具有授權專利“一種大電流動力電池雙向均衡裝置”（zl2011205074605），此技術基于雙向DCDC原理提出了一種充放電均衡電流可達10A的動力電池均衡裝置。此技術利用繼電器雙向導通特性，通過控制雙向DCDC變壓器的輸入輸出方向，分別實現電池組內部各單體電池的充電均衡和放電均衡，此技術用于解決因電池不一致性問題而導致電池組壽命和有效使用問題。

3.3 電池性能分析

在電池性能分析方面，主要針對單體電池的篩選，目前問題是采集指標精度不準，文獻[9]鋰離子電池老化前后容量、內阻等性能指標并運用隨機森林數據進行聚類，任意選出4個單體成組并作循環(huán)性能仿真測試，篩選出一致性較好的電池。文獻[10]對單體電池進行曲線聚類和內阻擬合等處理，運用神經網絡算法并依據內阻等參數對電池的健康狀態(tài)（SOH）進行估算，為鋰電池的分選提供依據。以上技術多處于實驗室階段，筆者所在公司開發(fā)出一種電池有效性分析模型，針對一組電池串聯或并聯使用時由于單個電池的充放電差異性導致整組電池壽命降低或損壞，從而對其應用過程實時監(jiān)測，對過程充放電性能開展有效性分析，將個體鋰離子電池額定電壓值過大或過低、內阻過大導致自身損耗過高的鋰離子電池進行篩選更換，實現對鋰離子電池應用過程中的性能監(jiān)測，解決了鋰離子電池使用過程中因鋰離子電池個體差異導致整組電池使用壽命降低的問題。

4 目前技術難點

（1）在保證安全性、一致性、魯棒性情況下退役電池重組后的精準檢測技術成為行業(yè)難點，如電池管理系統(tǒng)均衡算法，電池容量與剩余循環(huán)壽命等;特別是未來我國將開展儲能領域的大規(guī)模的梯次利用，在此環(huán)節(jié)重組電池的分選、測試還處在試點研究階段，在此領域還有很多技術需要深入研究。

（2）針對退役電池篩選基礎性技術的應用中成本高問題，如何開展規(guī)模、高效的電池篩選成為目前的難點，本文利用已有發(fā)明專利技術“一種鋰離子電池容量分選器”，電池容量分選提出一種解決方法。

（3）目前電池間一致性也是難點，本文利用已有技術“一種大電流動力電池雙向均衡裝置”和“一種電池有效性分析模型”給出了有效解決方法。

（4）電池使用中實時監(jiān)控電池能量技術在行業(yè)內還未展開研究。

5 結束語

本文分析了車用動力電池發(fā)展的趨勢，動力電池的回收利用與現狀及分級分選，并利用筆者所在公司已有專利給出了電池回收分級分選在電池容量篩選、電池特性分析、電池均衡方面提高電池一致性的解決方法。

未來在電池回收及梯次利用過程中，將互聯網技術、信息化技術、5G技術運用結合物聯網，實現電池回收全生命周期的實時監(jiān)控，創(chuàng)新篩選評測方法，更好的提高梯級利用有效性。

參考文獻：

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